双极直流电网站内单相接地故障的自适应重合闸方法与流程

本发明涉及电力系统继电保护和自动化领域，具体涉及一种对称双极拓扑的mmc-hvdc电网站内单相接地故障的清除策略及自适应重合闸方法。

背景技术：

基于模块化多电平换流器(modularmultilevelconverter，mmc)的柔性直流输电技术由于输出电流波形质量高、开关损耗低、模块化程度高且易扩展等优点，在构建多端直流电网、新能源接入与消纳、电网异步互联及孤岛供电等领域拥有良好的应用前景。对称双极接线方式的柔性直流系统的运行方式更灵活和更低的过电压水平，符合直流电网高压、大容量、多端化的发展趋势，逐渐成为柔性直流输电的主流拓扑。

针对双极mmc-hvdc电网的直流故障和交流系统故障的暂态特性研究和保护方案的制定逐步趋于完善，但对站内故障的研究仍不够成熟。站内故障指变压器至换流器之间阀侧连接线上的故障，换流站内环境良好，故障概率较低，但由于更靠近换流器，其危害可能比直流故障更为严重。站内单相接地故障发生后，mmc子模块电容会快速放电，导致mmc很快因过流而闭锁。闭锁后传统的故障清除方法是通过安装辅助装置帮助交流断路器可靠地断开，这种方案耗时长，导致mmc长时间承受大电流和过电压的威胁，且一些辅助装置会影响到健全极换流器的正常运行。

张北柔性直流工程作为世上首个柔性直流电网工程，采用架空线作为站内输电线路，因而瞬时故障的概率大大上升。另外，当墙体套管表面有轻微污秽时，潮湿、雨水、雷电易造成其表面闪络，这也是常见的瞬时故障。如果采用自动重合闸来处理站内单相接地故障，在重合于永久性故障时，会导致mmc遭受二次损害：不仅mmc下桥臂再次出现大的交流短路电流，直流线路也会产生二次过电流。

综上所述，制定速动性更好的故障清除策略、设计能够辨别站内单相接地故障性质的自适应重合闸方法，对保护电力系统安全、提高直流功率输送效率具有重要的意义。

技术实现要素：

本发明针对双极mmc-hvdc电网站内单相接地故障，提供一种更快速、有效地清除故障，尽可能地减少对换流器的危害的故障清除及自适应重合闸方法。在清除故障电流后，能够可靠辨别站内单相接地故障的性质，在瞬时性故障时立即解锁mmc并重合断路器，实现直流功率的不间断传输；在永久性故障时则不重启系统，避免对换流器造成二次冲击。技术方案如下：

一种双极直流电网站内单相接地故障的清除及自适应重合闸方法，包括

①故障清除策略

在金属回线上安装直流断路器，即金属回线断路器，当故障mmc过流闭锁后，通过开断直流断路器dccb和金属回线断路器mrcb清除故障电流；

②自适应重合闸方法

基于变压器阀侧即△侧中性点电位的特点，辨别站内单相接地故障的性质，以实现自适应重合闸，瞬时性站内单相接地故障的辨识判据如下：

uo≤kset(1)

式(1)中，uo为变压器△侧中性点电位uo的幅值，kset为整定阈值；uo通过测量△侧的零序电压来得出，即如式(2)所示，ua、ub、uc为测量出的△侧三相交流电压瞬时值；kset通过式(3)确定以保证判据的可靠性，其中ul为系统正常运行时△侧交流线电压幅值。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

1、该故障清除策略仅需4ms可完全清除故障电流，而传统的基于断开交流断路器的方法一般需要数个周波才能实现故障清除，本策略在速动性上远优于传统方法，使得故障对mmc的威胁大大降低。

2、该自适应重合闸方法仅需要测量三相交流电压的瞬时值，原理简单、计算量小且算法易于实现，从而降低了实际工程中微机保护装置的设计难度和成本。

3、所用观测量在不同性质故障时的区分度很高，说明本方法可靠性好；从理论上可以验证本方法不受过渡电阻的影响，具有很强的抗过渡电阻能力。

4、与传统的自动重合闸方法相比，本方法避免了换流器在永久性故障下遭受二次冲击的严重后果，更好地保障了换流器等电力电子设备的安全。

附图说明

图1为四端双极mmc-hvdc电网拓扑示意图；

图2为故障mmc闭锁后的故障电流路径；

图3为正常运行时变压器原副边相电势矢量图；

图4为dccb和mrcb断开后的不接地系统；

图5为永久性故障时变压器原副边相电势矢量图；

图6为瞬时性故障时变压器原副边相电势矢量图；

图7为本方法在永久性故障时的仿真结果；

图8为本方法在瞬时性故障时的仿真结果。

具体实施方式

本发明的技术方案如下：

①故障清除策略

已有基于开断交流断路器的清除方法速动性差，使得换流器长时间遭受过电流及过电压的危害。本发明在金属回线上安装直流断路器，即金属回线断路器。当故障mmc过流闭锁后，通过开断直流断路器(mrcb)和金属回线断路器(mrcb)，能够在4ms内完全清除故障电流，使得换流器遭受过电流及过电压的时间大大缩短，很好地保护了换流器内昂贵的电力电子器件。

②自适应重合闸方法

采用①中所述的故障清除策略后，可基于变压器阀侧(△侧)中性点电位的特点，准确辨别站内单相接地故障的性质，以实现自适应重合闸，具体技术方案如下：

瞬时性站内单相接地故障的辨识判据如下所示。

uo≤kset(1)

式(1)中，uo为变压器△侧中性点电位uo的幅值，kset为整定阈值。uo可通过测量△侧的零序电压来得出，即如式(2)所示，ua、ub、uc为测量出的△侧三相交流电压瞬时值；kset通过式(3)确定以保证判据的可靠性，其中ul为系统正常运行时△侧交流线电压幅值。

保护判据一般在故障发生后1ms内检测出站内单相接地故障，紧接着将故障mmc闭锁并断开dccb和mrcb。经过150-200ms的去游离时间后，对观测量uo连续多次测量。当连续三次结果满足式(1)时即可确定是瞬时性站内单相接地故障，解锁mmc并重合dccb和mrcb，经控制系统的调节下直流电网逐渐恢复正常稳定运行状态；如果测量结果始终不满足式(1)，说明该站内单相接地故障是永久性的，mmc不应解锁且dccb和mrcb不可重合闸，应该断开变压器网侧的交流断路器使故障mmc完全脱离直流电网，以进行检修。此时，其他换流站的正、负两极换流器仍可继续传输功率，故障换流站中的非故障极mmc也可经过金属回线正常运行。

下面结合附图和实例对本发明作进一步的详细说明。

图1为四端双极mmc-hvdc电网拓扑示意图，图中f处故障即表示换流站s1的正极换流器发生了站内单相接地故障。

首先介绍故障清除策略的原理。当故障发生且mmc过流闭锁后，此时故障电流路径如图2所示，共3部分：一是其他端换流器经直流线路向本故障换流器馈入的电流，即ifsm1；而是故障相下桥臂缓慢衰减的续流电流，即ifsm2；三是非故障相下桥臂上的交流短路电流，即ifac。安装mrcb的位置如图2所示，位于mmc负极出口与金属回线的连接处。此时断开dccb和mrcb，三条故障电流路径全被切断，故障得以清除。由于dccb和mrcb均为混合直流断路器，可在3ms内开断电流，加上故障识别的1ms时间，所以本方法可以在故障发生4ms时内实现故障的清除，具有很好的速动性。

接下来介绍故障性质的辨识方法。对称双极mmc-hvdc系统在正常运行时，变压器普遍采用y0/△连接组。以yd11连接组号为例，原、副边相电势矢量如图3所示。图中，abc为y侧绕组的首端，o为零电位中性点；abc为△侧绕组的首端，o为△侧中性点。应注意在双极系统中，o点电位不为零，因为mmc负极经金属回线接地，使得o点电位有的直流偏置，因此正常运行时，△侧中性点电位如式(4)所示。

以a相接地故障为例，如果是永久性故障，则故障点在dccb和mrcb断开后一直存在。此时交流系统和换流器构成一不接地系统，如图4所示。变压器△侧a相电压由线路压降和过渡电阻压降两部分组成。由于是不接地系统，流经过渡电阻的只有对地电容电流。又由于站内输电线路很短，仅数十米长，因此对地电容电流可忽略，线路压降也可忽略。因此可以说，无论过渡电阻值多大，△侧a相电压均约为零。至此，永久性站内a相接地故障时原、副边相电势的向量图如图5所示，表示△侧中性点电位uo。由图可知，永久性故障时，△侧中性点电位uo的幅值为△侧线电压幅值的倍，高达几百千伏。

如果是瞬时性故障，在dccb和mrcb断开后某一时刻故障点消失，此时故障点和金属回线接地点均不存在。因此与正常运行时相比，△侧中性点电位的直流偏置消失，即o点变为零电位点。此时原、副边相电势的向量图如图6所示，在瞬时性故障时，△侧中性点电位uo＝0。

基于以上分析，如果是永久性故障，则△侧中性点电位uo为幅值是线电压倍的交流波形；如果是瞬时性故障，则△侧中性点电位uo＝0。因此可利用uo幅值的差异实现故障性质的识别，至此，可得到式(1)所示的瞬时性站内单相接地故障的辨识判据。

综上所述，本发明的总体实施步骤为：

待保护判据识别出站内单相接地故障并将mmc闭锁后，向控制系统发送命令，使得dccb和mrcb在3ms后断开，再经150ms左右的去游离，开始对△侧三相交流电压采样以计算中性点电位的幅值uo。只有连续三次测量结果满足式(1)时，方可判定该故障为瞬时性故障，解锁mmc并重合dccb和mrcb；倘若测量结果始终不满足式(1)，则该故障是永久性的，接下来应直接断开交流断路器，使mmc离网检修。本方法在两种性质故障下的仿真结果如图7和图8所示。由图可知，本方法能够可靠地辨别出瞬时性及永久性站内单相接地故障，具有一定的工程意义。